解決供熱管道熱脹冷縮問題的方法有多種，如管道預熱安裝、彎頭自然張力補償、補償器等，但所有方法的目的只有一個：使管道在材料允許的應(yīng)力范圍安全運行。在直埋管道中，彎頭自然張力補償應(yīng)用非常有限，補償器可最有效的降低管道運行時的應(yīng)力，但同時補償器也成為熱力管道安全最薄弱的環(huán)節(jié)。普通的管道預熱安裝成本低，管道安全性高，但安裝時受到的限制因素很多，如必須全線敞溝預熱，管道加熱困難，及作業(yè)時間緊促等。一次性補償器是結(jié)合補償器和管道預熱安裝的優(yōu)點而產(chǎn)生的。
1、一次性補償器結(jié)構(gòu)
一次性補償器的結(jié)構(gòu)如圖所示，其伸縮元件因只使用一次，且預熱時介質(zhì)壓力較低，所以波紋管可以有很大的壓縮量，這使得它同普通補償器相比可大大降低造價。一次性補償器外套管在管道運行中將會承受介質(zhì)壓力，因此其壁厚不應(yīng)小于同等直徑標準管道壁厚。因整個補償器外殼所承受的應(yīng)力較大，所以加強筋較多。在一次性補償器吸收管道伸長量后將二次焊口密封焊接牢固，由于二次焊口受剪切應(yīng)力，推薦采用兩層三遍焊接，如圖所示。
2、一次性補償器的安裝
如圖所示，安裝一次性補償器的管段應(yīng)與其他管段用固定墩隔開，以確保吸收定長管道預熱伸長量。為確保其精確，可在預熱前計算定長管道理論伸長量，然后在各一次性補償器上作出標記，使各個一次性補償器壓縮量之和等于定長管道的計算伸長量，待預熱伸長到位時，將補償器二次焊口焊接固定。管道在運行中不再有伸縮運動，其溫度變化引起的管道長度伸縮將轉(zhuǎn)化為管道的內(nèi)應(yīng)力。
一般常用的一次性直埋波紋補償器結(jié)構(gòu)簡圖
3、一次性補償器工作原理
管道安裝一次性補償器后，管道被固定，其長度不再變化，其溫度變化將引起管道內(nèi)應(yīng)力的變化。安裝時，管道的應(yīng)力為零；溫度升高后，管道受壓應(yīng)力；溫度降低時，管道受拉應(yīng)力。其應(yīng)力值為：
式中：σ—管道運行時的應(yīng)力 MPa
E — 材料彈性模量 MPa
L — 管道定長 m
ΔX — 定長管道伸縮量 m
ΔX = α·L·（t2 — t1）
式中：α — 管道材料線膨脹系數(shù) 1 / ℃
t1 — 管道應(yīng)力為零時的溫度 ℃
t2 — 管道運行時的溫度 ℃
則管道應(yīng)力
σ = E ·α·（t2 — t1）
由公式可以得出：管道運行時的應(yīng)力與其溫度變化量成正比，當管道運行溫度t2大于管道零應(yīng)力溫度t1時，應(yīng)力為正值，管道受壓應(yīng)力；當管道運行溫度t2小于管道零應(yīng)力溫度t1時，應(yīng)力為負值，管道受拉應(yīng)力。
將公式變換為：
t2 — t1 = σ / E ·α
由于管道應(yīng)力值應(yīng)小于材料的許用應(yīng)力，即 σ<［σ］
則有：
t2 — t1 ≤ [σ] / E ·α = Δt
公式右邊均為管道材料的固有性能，因此可以得出：預熱管道的溫度升高或降低必須小于某一值，否則管道應(yīng)力會大于材料的許用應(yīng)力而使管道破壞。即管道運行的溫度范圍為：
t1 — Δt ≤ t ≤ t1 + Δt
當管道材質(zhì)為20# 時 ，Δt = [σ] / E ·α≈ 60 ℃ 。一般管道運行起始溫度設(shè)定為 0 ℃（直埋管道冬季停止供熱時）。因此可以得出直埋預熱管道在預熱溫度為60℃時運行溫度范圍最大，為 120℃ ，即管道運行中在低于60℃時為拉應(yīng)力狀態(tài)，0℃時拉應(yīng)力最大，絕對值為[σ] ；管道等于60℃時為零應(yīng)力狀態(tài)；管道大于60℃時為壓應(yīng)力狀態(tài)，120℃時壓應(yīng)力最大，絕對值為[σ] 。管道總應(yīng)力范圍為2[σ]。
由上可以看出，預熱安裝一次性補償器的管道在運行中其應(yīng)力并不會減小（這一點與普通補償器不同，普通補償器可以很大限度的減小管道應(yīng)力），只是我們通過預熱安裝一次性補償器，可以方便地將管道的零應(yīng)力溫度調(diào)到最佳值，使管道運行溫度范圍最大，且其應(yīng)力始終在安全的材料許用應(yīng)力范圍內(nèi)，最大限度的發(fā)揮材料的性能。
4、預熱安裝一次性補償器的優(yōu)越性
（1） 管道施工預熱較方便，管線可部分回填；
（2） 一次性補償器價格較低，可有效的降低工程造價；
（3） 一次性補償器安裝完畢后其強度與管道相同，可大大提高管道的安全性；
（4） 二次焊口焊接后完全密封，可有效解決波紋管受地下水腐蝕問題，這一點對地下水腐蝕性強的地區(qū)尤為重要。
